H<sub>2</sub>O在硅酸盐熔体中的溶解度

如题所述

H2O在硅酸盐熔体中的溶解度随压力的升高而增大,并达到某一最大值,熔体的成分不同,H2O在其中溶解度的最大值也不同。在一定的p-t条件下,H2O在硅铝质熔体中的溶解度大于在镁铁质熔体中的溶解度,如为1 kbar、t达1000~1200℃时,花岗质熔体可溶解20.0%~22.0%的H2O;而在相同条件下,玄武质熔体只能溶解14.0%的H2O,在地幔p-t条件下(27~30kbar,1100~1200℃),橄榄碧玄质到橄榄黄长质的岩浆可溶解20.0%~30.0%的H2O。H2O在硅酸盐熔体中如此高的溶解度增加了地幔物质在地温梯度的p-t范围内发生部分熔融生成岩浆的可能性。

有饱和H2O蒸汽参与的岩石熔融可表达为

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一般说来,在低压区,硅酸盐的熔融温度随着水压升高而明显下降。这是因为对于反应(6-1)来说,据克拉珀龙方程有

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式中:Sm为含水硅酸盐熔体的克分子熵;为水蒸气相的克分子熵;为晶体i的克分子熵;Vm为含水硅酸盐熔体的克分子体积;为水蒸气相的克分子体积;为晶体的克分子体积;为与含水硅酸盐熔体平衡的水蒸气的克分子分数。

图6-1 各种晶体、硅酸盐熔体以及水在不同压力下的克分子体积

从图6-1可以看出,在低压区,水的克分子体积比硅酸盐晶体和熔体的克分子体积大得多。因此,熔化反应的ΔV实质上取决于,故式(6-2)变成

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发生熔融时,ΔS>0,即总熵变总是大于零。这样,从式(6-3)可以得出,dp与dt呈负相关,即dp/dt<0。当水压增加时,硅酸盐熔融的温度就要下降,正像水压增加水蒸气相的克分子体积必然变小那样(图6-1)。这样硅酸盐熔化(公式6-2描述)时的p-t曲线,必然与水的克分子体积的p-t曲线相似,事实上也是这样。

水压不同时,硅酸盐熔化的热力学条件是不同的,对公式(6-1),在低水压下有:

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在高水压下有:

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这表明在高压下H2O的克分子体积小于硅酸盐矿物和硅酸盐熔体的克分子体积,这时在公式(6-1)中dp/dt呈正相关,这意味着在高水压下,含水硅酸盐熔融的温度随压力增高而加大(图6-2)。水压由低向高增加时,在dp/dt斜率变化处有一个温度最低点m,此临界点的条件为

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图6-2 低压和高压条件下不同类型的熔化 曲线

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